Глава двадцать первая обмотки переменного тока

§ 21-1. Трехфазные двухслойные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу

Общие сведения о трехфазных обмотках. Обмотки переменного тока подразделяются на однослойные и двухслойные.

В современных машинах переменного тока применяются преимущественно двухслойные обмотки.

В двухслойных обмотках, как и в якорных обмотках машин постоянного тока (см. гл. 3), стороны катушек лежат в пазах в два слоя и каждая катушка одной стороной лежит в верхнем, а другой стороной — в нижнем слое. При этом все катушки имеют одинаковые размеры и форму. Широкое применение двухслойных обмоток объясняется следующими их преимуществами: 1) возможностью укорочения шага на любое число зубцовых делений, что выгодно с точки зрения подавления высших гармоник э. д. с. и н. с. обмоток (см. § 20-3 и 22-1) и уменьшения расхода обмоточного провода; 2) одинаковыми размерами и формами всех катушек, что упрощает и облегчает изготовление обмоток; 3) относительно простой формой лобовых частей катушек (см. рис. 19-20), что также упрощает изготовление обмотки.

Как и якорные обмотки машин постоянного тока, двухслойные обмотки переменного тока делятся на петлевые и волновые, которые в электромагнитном отношении равноценны. Преимущественно

применяются петлевые обмотки. Волновые же обмотки используются обычно при числе витков в катушке w_K = 1.

В подавляющем большинстве случаев применяются трехфазные обмотки с фазной зоной а = 60°, и поэтому мы ограничимся рассмотрением этих обмоток. После изучения таких обмоток нетрудно составить также, если это потребуется, схемы обмоток с зоной а = 120°.

Обмотки могут иметь как целое, так и дробное число пазов на полюс и фазу q [(см. равенство 20-24)]. В последнем случае обмотки называются дробными.

Петлевые обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу. В качестве примера рассмотрим обмотку с Z = 24 и 2р = 4. Тогда

Схема этой обмотки при последовательном соединении всех катушечных групп фазы изображена на рис. 21-1, причем для большей наглядности разные фазы показаны линиями разного характера. Порядок составления схемы рис. 21-1 можно пояснить следующим образом.

Сначала распределяем верхние стороны катушек (пазов) по фазным зонам по q — 2 стороны (пазов) в каждой зоне. Если пазы 1 н 2 отвести для зоны фазы А, то зоне фазы В нужно отвести пазы 5 и 6, так как фаза В должна быть сдвинута относительно фазы А на 120°, т. е. на две зоны по 60° или на 4 паза (1 +4 = 5; 2 + 4 = = 6). Зона С сдвинута относительно зоны В также на 120° и занимает пазы 5 + 4 = 9и6 + 4 = /0. На протяжении следующего двойного полюсного деления (пазы 13 — 24) чередование зон А, В и С происходит с такой же закономерностью (зона А — пазы 13, 14; зона В — лазы 17, 18; зона С — пазы 21, 22). Таким образом, распределена половина фазных зон и пазов верхнего слоя. Другие фазные зоны также распределяем по фазам Л, В, С и обозначаем их соответственно X, Y, Z. При этом для зон X, принадлежащих фазе Л, отводим пазы, которые сдвинуты относительно зон Л на т = 6 пазов, т, е, пазы 1+6-7, 2 + 6 = 5, 13 + 6 = 19, 14 + 6 = 20. Аналогично зонам У принадлежат пазы 5 + 6 = И, 6 + 6 = 12, 17 + 6 = 23, 18 + 6 = 24, а зонам Z — пазы 9 — 6 = 5, 10 — 6 = 4, 21 — 6 =

— 15, 22 — 6 = 16. Различие между зонами А, В, С и X, Y, Z состоит в том, что э. д. с. в соответствующих сторонах катушек (например, катушек зон А и X) сдвинуты по фазе на 180° вследствие их сдвига в магнитном поле на одно или нечетное число полюсных делений.

Рис. 21-1. Схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки с Z — 24, m = 3, 2р = 4, q = 2, у = 5, Р = %

В результате получим распределение верхних сторон катушек (пазов) по фазным зонам, изображенное в верхнем ряду верхней части рис. 21-1.

Поскольку в рассматриваемом случае шаг укорочен на одно зубцовое деление, то нижние стороны катушек (пазов) будут сдвинуты на одно зубцовое деление влево, как это изображено в нижнем ряду верхней части рис. 21-1. Отметим, что распределение нижних сторон по зонам можно и не производить, так как оно

получится автоматически при вычерчивании лобовых соединений катушек.

Весьма важно отметить, что полученное на рис. 21-1 чередование фазных зон A, Z, В, X, С, Y с q пазами в каждой зоне, повторяющееся на протяжении каждого двойного полюсного деления, характерно для любой трехфазной обмотки с фазной зоной а = 60° и поэтому нет надобности производить каждый раз приведенные выше расчеты.

Распределение пазов по фазам можно произвести также на основании звезды пазовых э. д. с. обмотки (рис. 21-2).

Рис 21-2 Звезда пазовых э д с обмотки, изображенной на рис 21-1

Сдвиг э. д. с. проводников соседних пазов по фазе

В рассматриваемом случае у = 1807(3-2) = 30°, как изображено на рис. 21-2, а. После обхода векторов пазовых э. д. с. на протяжении двух полюсных делений (в нашем случае векторы 1—12) звезда векторов э. д. с. при целом q будет повторяться вследствие совпадения э. д. с. соответствующих пазов (/ и 1 + 12 = 13 и т. д.) по фазе. Если отвести первые два вектора (рис. 21-1) для зоны А (векторы /; 2 и 13, 14), то векторы зон В и С будут сдвинуты от векторов А на 120° и 240°. Векторы зон X, Y, Z будут сдвинуты относительно векторов зон А, В, С соответственно на 180°. В результате получим такое же распределение пазов по зонам, как показано в верхнем ряду на рис. 21-1.

На схеме рис. 21-1 для каждого паза начерчены два проводника (стороны катушки) Будем считать, что левые из них расположены

в верхних слоях, а правые — в нижних. Катушки будем нумеровать по верхним сторонам. Так как э. д. с. соседних катушек тоже сдвинуты на у = 30°, то звезду э. д. с. пазов (рис. 21-2) можно рассматривать и как звезду э. д. с. катушек.

В пределах каждой катушечной группы q = 2 катушки соединяются последовательно. Таким образом, для фазы А на рис. 21-1 получим четыре группы,

из катушек /— 2, 7 — 8, а) 13—14 и 19—20. Все они соединены последовательно, причем группы 7— 8 и 19 — 20 «вывернуты» по отношению к группам 1—2 и 13 — 14 (конец группы /— 2 соединен с концом же группы 7— 8 и т. д.), чтобы э. д. с. всех групп складывались друг с другом. Аналогично произведено соединение групп в других фазах.

Включение катушечных групп зон X, Y, Z в цепь обмотки во встречном направлении эквивалентно повороту векторов э. д. с. катушек этих зон на 180°. При этом вместо рис. 21-2, а получим диаграмму э. д. с. катушек, изображенную на рис. 21-2, б, состоящую из трех секторов, в каждом из которых имеется q = 2 луча и 2pq = 2 -2 -2 = 8

векторов соответственно числу катушек в фазе. Э. д. с. каждой фазы равна сумме векторов э. д. с. катушек соответствующего сектора. Очевидно, что э. д. с. всех фаз будут равны и сдвинуты по фазе на 120°.

В качестве начал фаз Л, В и С на рис. 21-1 взяты начала катушек 1, 5 и 9 со сдвигом на 120°. Концы фаз X, Y, Z на рис. 21-1 соответствуют началам катушек 19, 23 и 3. Начала и концы фаз можно взять также иначе. Например, на рис. 21-1 можно соединить концы фаз А и X, разрезать затем любое междугрупповое соединение фазы А и полученные концы взять за начала и концы фазы А.

А X

Рис. 21-3. Схемы соединений для фазы А обмотки, изображенной на рис. 21-1, при выполнении а = 2 и а = 4 параллельных ветвей

Число катушечных групп в каждой фазе двухслойной обмотки с фазной зоной а = 60° равно числу полюсов 2р. Э. д. с. всех групп равны по величине, а с учетом «вывертывания» катушечных групп X, Y, Z совпадают также по фазе. Поэтому в двухслойной обмотке с целым q можно выполнить до а = 2р совершенно равноценных параллельных ветвей, в которых индуктируются э. д. с, одинаковые по величине и совпадающие по фазе. Например, в рассматриваемом случае (2р = 4) обмотку можно выполнить с а = 1; 2 или 4 (рис. 21-3) параллельными ветвями. Стрелками на рис. 21-3 указаны направления токов параллельных ветвей.

Волновые обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу. В мощных машинах переменного тока, в частности в крупных турбо-и гидрогенераторах, вследствие большого магнитного потока и большого количества катушек необходимое напряжение обмотки статора достигается при числе витков в катушке до_к = 1. В этом случае двухслойная обмотка имеет в каждом пазу только два проводника или стержня большого сечения, из которых образованы витки путем пайки в лобовых частях. Такие обмотки называются стержневыми и применяются также в качестве фазных обмоток роторов асинхронных двигателей средней и большой мощности. В последнем случае обмотка выполняется из массивных медных стержней, чем достигается лучшее использование площади паза за счет уменьшения объема изоляционных материалов в пазу. Возможность применения таких обмоток для роторов асинхронных двигателей облегчается тем, что эти обмотки не соединяются с сетью и поэтому не должны быть рассчитаны на стандартные напряжения. Кроме того, лобовые части стержневой обмотки являются более жесткими и не имеют междувитковой изоляции, вследствие чего их крепление против действия центробежных сил облегчается.

Стержневые обмотки можно выполнять как петлевыми, так и волновыми. Однако в большинстве случаев при 2р > 2 их делают волновыми, так как при этом за счет уменьшения соединений между катушечными группами (см. рис. 21-1) достигается экономия меди и уменьшение трудоемкости изготовления обмотки. Эта экономия особенно ощутима в многополюсных машинах, например в гидрогенераторах.

Схема трехфазной двухслойной стержневой волновой обмотки с теми же данными, что на рис. 21-1, изображена на рис. 21-4. Распределение пазов по фазным зонам производится аналогично, и это распределение такое же, как и на рис. 21-1, а звезда пазовых э. д. с. такая же, как на рис. 21-2. Для удобства обозрения схемы счет пазов на рис. 21-4 начат с отступлением от левого края, т. е. чертеж схемы обмотки как бы разрезан в другом месте по сравнению с рис. 21-1.

Начало фазы А на схеме рис. 21-4 взято из верхнего слоя паза 2. При обходе этой фазы от ее начала А обойдем виток 2, лежащий своей

верхней стороной в пазу 2, из конца витка 2 (нижний слой паза 7) перейдем в виток 14 а в конце этого витка (нижний слой паза 19) завершим полный обход вокруг якоря. При этом в общем случае будет- обойдено р (в данном случае р — 2) витков. Второй обход вокруг якоря начинается с соединения конца витка 14 с началом витка /. Это соединение короче (6 зубцовых делений), чем другие

Рис. 21-4. Схема трехфазной двухслойной волновой обмотки с 1 = 24, т = 3, 2р = 4, «= 2, у = 5, Р = %

соединения (например, соединение между катушками 2 и /4, имеющее 7 зубцовых делений). При втором обходе якоря пройдем еще р — 2 катушки (1-ю и 13-ю) и закончим этот обход выходом из нижней стороны паза 18 (конец 1к на рис. 3-4). В данном случае, при q = 2, этим заканчивается первый цикл обходов вокруг якоря. При q — 3 и 4 и т. д. этот цикл включает 3; 4 и т. д. обходов, причем будет использовано pq витков (катушек) обмотки (в данном случае 2-2 = 4 витка), т. е. половина всех 2pq витков (катушек) фазы.

Второй цикл обходов фазы А на схеме рис. 21-4 начат (конец 2н) из нижней стороны катушки 19 (нижняя сторона паза 24), при этом в данном случае все витки фазы соединены последовательно перемычкой 1к2н. Второй цикл обходов совершается в противоположном

направлении, причем q = 2 обхода охватывают катушки 20, 8, 19, 7 и заканчиваются концом фазы X. Аналогично выполнены соединения в фазах В и С. Независимо от числа полюсов обмотка будет иметь три перемычки, соединяющие циклы обходов в каждой фазе.

Таким образом, каждая фаза волновой обмотки состоит из двух половинок по pq катушек в каждой. Эти половинки можно соединить также параллельно, и, следовательно, волновая обмотка может иметь а = 2 удобно выполняемые параллельные ветви.

Укорочение шага в волновой обмотке в электромагнитном отношении дает такой же эффект, как и в петлевой обмотке. Э. д. с. и обмоточные коэффициенты обеих обмоток вычисляются по общим формулам (см. гл. 20).

Укорочение шага в волновой обмотке в отличие от петлевой обмотки не приводит к уменьшению расхода проводникового материала на лобовые соединения, так как при этом соединения с одной стороны машины укорачиваются, а с другой удлиняются. Волновые обмотки роторов асинхронных двигателей чаще всего выполняют с полным шагом (у = %), а начала А, В, С и концы X, Y, Z обмотки распределяют равномерно по окружности с целью облегчения балансировки (уравновешивания масс) ротора,

Дата добавления: 2015-07-18